一种利用南方苋修复氰化物污染土壤的方法

1.本发明涉及土壤修复技术领域，具体涉及一种利用南方苋修复氰化物污染土壤的方法。


背景技术：

2.近年来，随着冶金等工业的迅速发展，氰化物(cyanide)污染日益严重，土壤氰化物污染的问题也随之而来.氰化物对生物有机体有剧毒，它能在动物体内迅速电离出氰离子，造成急性中毒，甚至死亡。其中，氰化钾的致死量为1～2mg/kg，土壤中氰化物污染严重的还会导致农作物减产，甚至寸草不生。氰化物在土壤中自然降解速度大大慢于在天然水体中的降解速度，土壤剖面中氰化物的运移行为类似于土壤中易溶盐的迁移行为。在干旱、半干旱气候条件下，剖面中氰化物可在土壤表面盐壳中高度富集。土壤剖面中的粘质层可部分阻隔氰化物向潜水中运移，其结果又可导致粘质层中氰化物的高度富集。土壤中的氰化物对于植物的生长均有严重的影响。被氰化物污染的土壤成为环境中的二次污染源,对地表环境、土地利用和地面水、地下水有长期潜在危害，因此，迫切需要对氰化物污染的土壤进行修复。
3.目前，国内外已报道的对含氰土壤的修复主要有化学法、微生物法和植物法，其中，以化学氧化方法为主，但处理过程中大量氧化剂的使用一方面使得物耗及废液处理的费用提高，另一方面过量氧化剂的加入存在破坏土壤理化性质以及生成有害副产物等负面影响，因此，化学法具有工程量大，成本高，操作过程复杂等缺点；微生物法修复所使用的微生物多通过自然选择或富集培养得到，在土壤异质性或极端环境(ph过高或过低、含高浓度盐类、污染程度差异以及其他污染物存在)影响下，对氰化物的修复效能减弱。因而有必要发展高效、环保、经济的氰化物处理技术。
4.生物修复技术中的植物修复由于生产费用低、满足环境控制要求而广受重视，日益被视作修复氰化物污染的关键技术之一。氰化物污染土壤的植物修复是以植物忍耐和直接吸收代谢氰化物或强化氰化物在根际微域中的矿化作用的理论为基础，利用植物及其共存微生物体系，实现土壤环境中氰化物清除的治理技术。植物修复技术是利用植物体具有的提取、降解和稳定化特性对污染场地进行修复的技术。利用植物法进行含氰化合物污染土壤的修复，具有操作简便、成本低廉、对土地破坏较小和环保等优势。该技术不仅可以实现对生长层含氰尾矿中氰化物和重金属的降解，而且可以实现对生长层下方含氰尾矿的原位控制，降低其可能造成的环境污染风险，具有绿色、经济、可行性好等特点，对闭库尾矿库的处理具有很好的应用前景。
5.作为一种环境友好且经济高效的土壤修复新方法，植物修复在近20年迅速发展，2000年丹麦rudersdal自治市已有将植物修复与抽提处理复合成功修复煤气厂场地氰化物污染的案例。已有报道可用于氰化物污染土壤修复的植物主要有水稻、黄豆、玉米、柳树、杨树等。但是，水稻、黄豆存在生物量小、抗逆性差、适应范围窄、修复效率较低等问题；柳树、杨树生长速度慢、不能种子快速繁殖、修复效率较低等问题。因此，仍需开发寻找新的修复
植物。
6.南方苋(amaranthus australis)为苋科苋属一年生c4草本植物(http://www.iplant.cn/info/％e5％8d％97％e6％96％b9％e8％8b％8b)，又被称为巨型苋，具有抗逆性强，生长迅速，生物量大，植株高达8米，为苋属植物中长得最高的种。苋属植物中大多数种为二倍体，基因组在400～600m间，而南方苋则为异源四倍体，基因组为824m左右，是苋属植物中基因组最大的种(molecular phylogenetics and evolution,2017,109:80-92)。但目前关于南方苋的研究还比较少，更未见有其在土壤中氰化物污染修复的报道。


技术实现要素：

7.针对上述现有技术，本发明的目的是提供一种利用南方苋修复氰化物污染土壤的方法。
8.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
9.本发明的第一方面，提供南方苋在氰化物污染土壤修复中的应用。
10.本发明首次研究发现，南方苋具有修复效率高、生长速度快、生物量大、抗逆性好、适应性范围广、可用种子快速繁殖的优点，可用于氰化物污染土壤的修复。
11.本发明的第二方面，提供一种南方苋修复氰化物污染土壤的方法，包括以下步骤：
12.(1)向氰化物污染的土壤中施加以南方苋制备的生物质活性炭，施于表土后旋耕混匀；
13.(2)待土壤表层5-10cm温度升至20℃以上时播种南方苋；
14.(3)南方苋萌发后幼苗长至8-12cm高时进行间苗；待南方苋长至旺长期时喷施细胞分裂素溶液；
15.(4)待南方苋长至初花期时进行刈割，留荐高度8-10cm；然后再进行浇水施肥直至下次刈割，每个生长季节刈割2-3次，收集茎叶进行氰化物回收。
16.优选的，步骤(1)中，所述生物质活性炭由如下方法制备而成：
17.将南方苋秸秆干燥、粉碎，在无氧状态下高温热解制备生物炭；高温热解的条件为：以-10℃/min的升温速率加热至440-460℃，持续恒温加热1-2h。
18.采用本发明方法制备的生物质活性炭，其硬度小，孔隙度好，富含微孔，有良好的吸附性，具有改良土壤、促进植物生长等特点。
19.优选的，步骤(1)中，所述生物质活性炭的施加量为2.5-3t/hm2。
20.优选的，步骤(2)中，南方苋采用种子点播，株行距为20cm
×
30cm。
21.优选的，步骤(3)中，间苗时每株留健壮幼苗一棵，同时去除杂草。
22.优选的，步骤(3)中，所述细胞分裂素溶液为6-ba溶液；6-ba溶液的浓度为50-150μmol/l。
23.优选的，步骤(3)中，采用叶面喷施，每天喷施一次，喷施量为4500l-5500l/hm2，连续喷施6-8天。
24.本发明的有益效果：
25.(1)本发明筛选获得一种新的可用于氰化物污染土壤修复的c4植物—南方苋，其生长速度快，旺长期每天可长3-5cm，生物量大，每亩达30-40吨，适宜种植的区域广，抗逆性强。
26.(2)南方苋具有富钾特性，其秸秆制成生物质炭后含钾量高，比其它植物秸秆中的含钾量高50-200％，含钾量是玉米秸秆生物碳的3.3倍，水稻秸秆生物碳的1.9倍，用这类含钾量高的生物质炭施用于种植南方苋的氰化物污染修复土壤中，可显著改善根际环境，有利根系吸收和修复氰化物。
27.(3)本发明在利用种植南方苋修复氰化物污染修复土壤时喷适宜浓度的细胞分裂素，可以提高蒸腾而促进氰化物的吸收与修复。
具体实施方式
28.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
29.如前所述，现有的可用于氰化物污染土壤修复的植物存在生物量小、生长速度慢、不能种子快速繁殖、抗逆性差、适应范围窄、修复效率较低等问题，因此，仍需开发寻找新的修复植物。
30.发明人在土壤修复领域深耕多年，在寻找能够修复氰化物污染土壤的过程中意外发现了一种c4植物
‑‑‑
南方苋。目前对于南方苋的研究很少，发明人发现：南方苋可以用种子繁殖，生长速度快，生物量大，适宜种植的区域广，抗逆性强，具有用于氰化物污染土壤修复的基础。
31.进一步的，本发明对南方苋修复氰化物污染土壤进行了探究，发现南方苋具有富钾特性其秸秆制成生物质炭后含钾量高，比其它植物秸秆中的含钾量高50-200％，用这类含钾量高的生物质炭，将其施用于种植南方苋的氰化物污染修复土壤中，可显著改善根际环境，有利根系吸收和修复氰化物。在南方苋的生长过程中，发明人还发现，喷施适宜浓度的细胞分裂素溶液能够提高蒸腾而促进氰化物的吸收与修复。
32.由此，本发明提出了一种新的利用南方苋修复氰化物污染土壤的方法，通过施加以南方苋制备的生物炭、点播种植南方苋和修复时喷施适宜浓度的细胞分裂素等措施，显著提高了氰化物污染土壤的修复效果。
33.为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本技术的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本技术的技术方案。
34.本发明实施例中所用的试验材料均为本领域常规的试验材料，均可通过商业渠道购买得到。未注明详细条件的实验方法是按照常规试验方法或按照供应商所建议的操作说明书进行的。其中，本发明中使用的南方苋品种名称为giant amaranth，种子来源于美国农业部种质资源库，种质编号为pi 553076。
35.实施例1：生物质活性炭的制备及性能测试
36.1、生物质活性炭的制备：
37.将南方苋秸秆自然风干，使其含水量降至18％以下，粉碎为3-8mm大小的粉粒。采用限氧慢速热解法制备生物碳，将粉碎后的秸秆装入半封闭生物质炭化炉中，向管式炉中通入氮气，在无氧状态下高温热解制备生物炭，以8℃/min的升温速率加热至450℃，持续恒温加热1h，待加工好的生物质颗粒炭冷却后取出，粉碎过200目筛，制备得到南方苋秸秆生物质活性炭。
38.将南方苋秸秆替换为水稻秸秆和玉米秸秆，采用上述相同的方法分别制备得到水稻秸秆生物质活性炭和玉米秸秆生物质活性炭。
39.2、性能测试：
40.(1)ph测定：
41.将生物质活性炭与水按重量比1:25搅拌混匀，采用复合电极法测定。
42.(2)灰分测定：
43.称取生物质活性炭1g(精确至0.01g)，在800℃下，置于马弗炉内完全灰化4h，自然冷却后取出称量。通过灼烧前后的质量变化计算灰分含量：
44.灰分(％)＝(m1－m2)/m3
×
100％(单位:g)
45.式中，m1表示灰分和坩埚质量，m2表示空坩埚质量，m3表示生物炭的质量。
46.(3)全钾含量测定：
47.称取生物质活性炭0.5g于150ml三角瓶中，加入10ml硫酸静置过夜；次日滴加高氯酸，上消化台(温度350℃)，时间8h左右，每小时摇一次；消化至液体透明后转移至100ml容量瓶，定容后过滤膜，液体用电感耦合等离子体质谱仪测定。
48.以不同秸秆制备的生物质活性炭的性能测试结果如表1所示。
49.表1：不同秸秆制备的生物质活性炭的性能测试结果
[0050][0051]
结果表明：南方苋具有富钾特性，其秸秆制成生物质炭后含钾量高，其含钾量是玉米秸秆生物碳的3.3倍，水稻秸秆生物碳的1.9倍，用这类含钾量高的生物质炭施用于种植南方苋的氰化物污染修复土壤中可显著改善根际环境，有利根系吸收和修复氰化物。
[0052]
实施例2：南方苋修复氰化物污染土壤的盆栽试验
[0053]
1、试验方法：
[0054]
根据是否向氰化物污染土壤中添加秸秆生物质炭(amc)以及是否在南方苋旺长期喷施细胞分裂素6-ba(6ba)，将盆栽修复试验设计成4个处理，试验设计如表2所示。
[0055]
表2：盆栽修复试验设计
[0056]
处理秸秆生物质活性碳添加量(g/kg)细胞分裂素6-ba(μmol/l)ck00amc0.506ba0100amc+6ba0.5100
[0057]
活性炭用量说明：本发明在大田试验中活性炭的添加量为2.8t/hm2，大田栽种时翻耕深度一般为20cm，土壤的平均容重为2.65g/cm3；由此换算出来每公斤土壤中活性炭的添加量为0.5g，即土壤中活性炭的添加浓度为0.5g/kg。为了方便试验进行并获得合理的试
验数据，本发明选用盆栽试验。由于盆栽土壤的面积非常小，如果活性炭按2.8t/hm2的用量添加进盆栽土壤，既不实际也不方便计算用量。所以采用称量盆栽土壤的重量，按照土壤中活性炭的添加浓度为0.5g/kg来添加活性炭。
[0058]
以处理amc+6ba为例，其具体的修复过程如下：
[0059]
(1)采集氰化物污染土壤，土壤取样深度为0～20cm，把采集来的土样混匀，避光风干，去除杂质，粉碎。将污染土壤晾干后粉碎成待修复土壤颗粒，将待修复土壤颗粒全部过孔径20目筛；氰化物含量的测定方法参照《土壤氰化物和总氰化物的测定分光光度法(hj 745-2015)》。经调查结果显示，土壤ph值为6.24，有机质含量21.2g/kg，全氮1.28g/kg，碱解氮163.3mg/kg，速效磷1.85mg/kg，速效钾119.71mg/kg，总氰化物含量183.5mg/kg。
[0060]
(2)向待修复的过筛氰化物污染土壤中添加以南方苋秸秆制备的生物质活性炭(实施例1制备)0.5g/kg，然后装入上口径17cm，下口径15cm，高17cm的塑料盆中，每盆装4.5kg过筛氰化物污染土壤，共含总氰化物为825.75mg/盆，共加南方苋秸秆制备的生物质活性炭2.25g，充分拌匀。
[0061]
(3)塑料盆中播种南方苋种子，每盆播种3-5粒种子，盆栽放置于温室大棚中，温度为25-32℃，自然光照。待种子萌发长至10cm高时进行间苗，每盆留一株健壮幼苗。幼苗长至旺长期(一般在播种后一个半月左右进入旺长期)时，配置100μmol/l细胞分裂素6-ba溶液进行叶面喷施，喷施持续时间为7天，每天喷施一次，喷施量为10ml/盆。
[0062]
(4)待南方苋长至初花期时进行刈割，留荐高度8-10cm，剩下部分继续进行浇水施肥直至下次刈割，生长季节共刈割3次。收集茎叶进行氰化物回收。
[0063]
测定分析：初花期刈割时进行株高、干重测定分析，同时取不同处理盆栽南方苋的根际土壤进行氰化物含量测定分析，评价氰化物污染土壤的修复效果。
[0064]
去除率(％)＝植株吸收富集的氰化物含量/处理前土壤中的氰化物含量
×
100％；
[0065]
富集系数＝植株富集氰化物浓度/土壤中氰化物浓度；
[0066]
转移系数＝植株地上部氰化物浓度/植株地下部氰化物浓度。
[0067]
2、试验结果：
[0068]
试验结果如表3所示。
[0069]
表3：盆栽修复试验结果
[0070][0071]
结果表明：在盆栽条件下，施用南方苋秸秆生物碳可显著促进南方苋的生长，提高了南方苋的株高和单株干重。施用南方苋秸秆生物碳或喷施细胞分裂素6ba均可显著提高南方苋地上部氰化物含量，而联合施用南方苋秸秆生物碳和喷施细胞分裂素6ba效果更为
显著，比单独施用分别提高了35.7和51.6mg/盆的去除量，比对照提高了63.8mg/盆的去除量，转移系数和富集系均均显著提高。对照条件下种植南方苋每盆总氰化物的去除率为8.2％，施用南方苋秸秆生物碳和喷施细胞分裂素6ba后去除率显著提高，分别达11.6％和9.7％，而联合施用南方苋秸秆生物碳和喷施细胞分裂素6ba处理后总氰化物的去除率高达15.9％。
[0072]
实施例3：南方苋修复氰化物污染土壤的大田试验
[0073]
1、试验方法：
[0074]
根据是否向氰化物污染土壤中添加秸秆生物质炭(amc)以及是否在南方苋旺长期喷施细胞分裂素6-ba(6ba)，将大田修复试验设计成4个处理，试验设计如表4所示。
[0075]
表4：大田修复试验设计
[0076]
处理秸秆生物质碳添加量(t/hm2)细胞分裂素6-ba(μmol/l)ck00amc2.806ba0100amc+6ba2.8100
[0077]
以处理amc+6ba为例，其具体的修复过程如下：
[0078]
(1)整地施肥：将要进行修复的耕地(耕地中氰化物含量在170-190mg/kg之间，采用五点取样法平均氰化物含量在183.0mg/kg)进行平整翻耕，翻耕深度20cm，施用有机肥50t/hm2，施磷酸二氢钾450kg/hm2，硝酸铵600kg/hm2。
[0079]
(2)施生物碳：向土壤中施加以南方苋制备的生物质活性炭(实施例1制备)2.8t/hm2，施于表土后用旋耕机与表土旋耕混匀。
[0080]
(3)播种：待土壤表层5-10cm温度稳定升到20℃以上时播种南方苋，采用点播的方法，株行距20cm
×
30cm；
[0081]
(3)田间管理：南方苋萌发后幼苗长至10cm高时间苗，每株留健壮幼苗一株；同时工人防除杂草。待南方苋长至旺长期时配置100μmol/l的细胞分裂素6-ba溶液进行叶面喷施，喷施时间为8天，每天喷施一次，喷施量为5000l/hm2。
[0082]
(4)收割：待南方苋长至初花期时进行刈割，留荐高度8-10cm，然后再进行浇水施肥直至下次刈割，每个生长季节共刈割3次，收集茎叶进行氰化物回收。
[0083]
测定分析：初花期刈割时进行株高、干重测定分析，同时取不同处理小区南方苋的根际土壤进行氰化物含量测定分析，评价氰化物污染土壤的修复效果。
[0084]
试验结果如表5所示。
[0085]
表5：大田修复试验结果
[0086][0087]
从表5可以看出，施用南方苋秸秆生物碳可显著提高南方苋的株高和单株干重，表明南方苋秸秆生物碳可改善根际微环境，从而提高根系对水肥的吸收能力。单独施用南方苋秸秆生物碳或喷施细胞分裂素6ba均可以提高南方苋地上部氰化物的含量，对地下部氰化物含量影响不大，但是同时施用南方苋秸秆生物碳和喷施6ba可极大提高植株地上部氰化物含量，比对照提高了34％，转移系数和富集系数分别比对照提高了37％和47％，显著降低了根际土壤的氰化物含量，比对照降低了19.4％。结果表明同时施用6ba和南方苋秸秆生物碳大大提高了南方苋对氰化物的修复效率。
[0088]
以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.南方苋在氰化物污染土壤修复中的应用。2.一种南方苋修复氰化物污染土壤的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)向氰化物污染的土壤中施加以南方苋制备的生物质活性炭，施于表土后旋耕混匀；(2)待土壤表层5-10cm温度升至20℃以上时播种南方苋；(3)南方苋萌发后幼苗长至8-12cm高时进行间苗；待南方苋长至旺长期时喷施细胞分裂素溶液；(4)待南方苋长至初花期时进行刈割，留荐高度8-10cm；然后再进行浇水施肥直至下次刈割，每个生长季节刈割2-3次，收集茎叶进行氰化物回收。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述生物质活性炭由如下方法制备而成：将南方苋秸秆干燥、粉碎，在无氧状态下高温热解制备生物炭；高温热解的条件为：以-10℃/min的升温速率加热至440-460℃，持续恒温加热1-2h。4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述生物质活性炭的施加量为2.5-3t/hm2。5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，南方苋采用种子点播，株行距为20cm
×
30cm。6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，间苗时每株留健壮幼苗一棵，同时去除杂草。7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述细胞分裂素溶液为6-ba溶液；6-ba溶液的浓度为50-150μmol/l。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，采用叶面喷施，每天喷施一次，喷施量为4500l-5500l/hm2，连续喷施6-8天。

技术总结
本发明公开了一种利用南方苋修复氰化物污染土壤的方法，属于土壤修复技术领域。本发明的土壤修复方法包括以下步骤：(1)向氰化物污染的土壤中施加以南方苋制备的生物质活性炭，施于表土后旋耕混匀；(2)待土壤表层5-10cm温度升至20℃以上时播种南方苋；(3)南方苋萌发后幼苗长至8-12cm高时进行间苗；待南方苋长至旺长期时喷施细胞分裂素溶液；(4)待南方苋长至初花期时进行刈割，留荐高度8-10cm；然后再进行浇水施肥直至下次刈割，每个生长季节刈割2-3次，收集茎叶进行氰化物回收。本发明通过施加以南方苋制备的生物炭、点播种植南方苋和修复时喷施适宜浓度的细胞分裂素等措施，显著提高了氰化物污染土壤的修复效果。提高了氰化物污染土壤的修复效果。


技术研发人员：张伏中 蔡青 胡龙兴
受保护的技术使用者：湖南农业大学
技术研发日：2023.02.07
技术公布日：2023/7/22